Typescript의 공변성과 반공변성

공변성과 반공변성

 

'공변성(Covariance)'과 '반공변성(Contravariance)'은 Typescript를 다루는 개발자라면 누구나 매일매일 접하고 또 사용하는 개념이지만, 나를 포함해서 해당 개념을 매번 의식하고 인터페이스를 설계하는 사람은 많지 않을 것이다.

 

공변성과 반공변성이 타입스크립트에서 가지는 의의를 이해하기 전에, 먼저 공변성이 뭔지, 반 공변성이 뭔지부터 이해하고 가보자.

 

공변성

더 많이 파생된(더 구체화된) 형식을 사용할 수 있다.

I<T'> 인스턴스 타입을 I<T> 형식의 변수에 할당할 수 있다.

 

반공변성

덜 파생적인(더 제네릭한) 형식을 사용할 수 있다.

I<T> 인스턴스를 I<T'> 형식의 변수에 할당할 수 있다.

 

 

쉽게 풀어서 설명하려고 해도 되지 않으니 예시를 들어서 한 번 살펴보자.

 

다음과 같은 타입 A,B,C가 있다.

type A = string
type B = string | number
type C = string | number | null

 

이제 함수 Foo라는 타입을 선언해보자.

type Foo = (b: B) => B;

 

이제 이 함수의 타입을 지키면서 안전하게 호출할 수 있는 함수는 다음 중 어떤 함수일까?

const foo1: Foo = (a: A) => {
  return {} as A;
};

const foo2: Foo = (a: A) => {
  return {} as C;
};

const foo3: Foo = (c: C) => {
  return {} as C;
};

const foo4: Foo = (c: C) => {
  return {} as A;
};

 

A는 B의 서브타입이며, B는 C의 서브타입이다. 그러므로 A는 C의 서브타입이다.

(반대의 관계는 슈퍼타입)

 

foo1부터 살펴보자. 해당 함수는 안전한가?

 

인자로 받는 A는 B의 서브타입으로, B에서 number가 빠져있다. foo1을 호출하는 곳에서는 Foo의 인터페이스에 맞게 인자로 number를 넘겨줄 수 있을텐데, 그에 대한 처리가 되어있지 않아 위험해보인다.

 

같은 이유로 같은 인자를 받는 foo2 역시 위험해보인다.

 

foo3을 살펴보자. 해당 함수는 안전할까?

 

인자로 받는 C는 B의 슈퍼타입으로, B에서 null이 추가된 타입이다. foo3을 호출하는 곳에서는 Foo의 인터페이스에 맞게 string | number를 넘겨줄 수 있다. 이 경우 안전하다고 할 수 있겠다.

 

이제 반환값을 보자. 반환값인 C는 B에서 null이 추가된 타입이다. foo3을 호출하는 곳에서는 Foo의 인터페이스에 맞게 반환값인 string과 number에 대한 처리를 하게 될 것이다. 예상치 못한 null이 반환될 수 있으니 위험해보인다.

 

foo4를 살펴보자. 해당 함수는 안전할까?

 

인자로 받는 C는 foo3에서 살펴봤듯 안전하다고 할 수 있고, 반환값을 살펴보자. 반환값인 A는 B에서 number가 제거된 타입이다. foo4를 호출하는 곳에서는 Foo의 인터페이스에 맞게 반환값인 string | number에 대한 처리를 하지만, 실제로 반환되는 타입은 string일 것이다.

 

그러므로 foo4는 인자와 반환값 모두 안전한 함수이다!

 

 

뭔소리야?

직관적으로 이해하기 쉽지 않아서 설명도 실제 호출을 기준으로 했지만, 설명을 듣고 나서도 쉽사리 이해되지 않는다.

하지만 위 예시를 통해서 두 가지의 규칙을 발견할 수 있었는데, 

 

1. 함수의 파라미터는 더 좁은 타입을 사용할 수 있다. (반공변성 - 더 구체적인 타입을 사용할 수 있다)

2. 함수의 반환값은 더 넓은 타입을 사용할 수 있다. (공변성 - 더 일반적인 타입을 사용할 수 있다)

 

타입스크립트에서 함수의 타입은 위의 규칙으로 동작한다.

 

단, 위 가정은 타입스크립트의 strict flag, 정확히는 strictFunctionTypes flag를 활성화 했을때의 동작이며, 해당 flag가 off인 경우 함수의 파라미터는 공변성과 반공변성을 모두 갖도록 동작한다. 이 경우에는 이변성(Bivariance)을 갖고 있다고 한다.

 

왜?

사용 사례에서 살펴보았듯, 파라미터가 반공변성을 가지는 것이 안전한데 왜 타입스크립트의 기본 설정은 그렇지 않은걸까?

사실 모든 사용 사례에서 파라미터가 반공변성을 가지는 것이 적절한 것은 아니다.

 

Array.push 메소드의 시그니처를 살펴보자.

interface Array<T> {
    //~~~~
    /**
     * Appends new elements to the end of an array, and returns the new length of the array.
     * @param items New elements to add to the array.
     */
    push(...items: T[]): number;
	//~~~~
}

Array<string | number> 에 string을 하나 넣고 싶다면 push 메소드를 사용하게 될 것이다.

이 경우 push()의 타입은 (...items: Array<string | numebr>) => number 가 된다.

함수 파라미터의 반공변성에 의거하면, push 메소드에 (...items: Array<string>) => number를 할당할 수 없다.

 

이제 뭔가 또 논리적으로 이상하다.

숫자와 문자로 이루어진 배열에 문자를 추가하는 동작이 위험하지 않기 때문에 이 경우에는 함수의 파라미터가 공변성을 가지는 것이 맞다는 결론이 나오게 된다.

 

--strict 환경에서도 Array.push() 문제 없던데?

맞다. 나를 포함한 많은 타입스크립트 개발자들이 TypeSafe한 개발 환경을 위해 strict flag를 켜두지만, Array.push를 사용하면서 반공변성으로 인한 곤란함을 겪지는 않는다.

 

비밀은 메소드를 선언하는 형태에 있는데,

interface Array<T> {
    push(...items: T[]): number;
}

interface Array<T> {
    push: (...items: T[]): number;
}

위의 방식의 선언과, 아래 방식의 선언이 다르게 동작하는(...) 것이다.

 

https://github.com/microsoft/TypeScript/pull/18654

The stricter checking applies to all function types, except those originating in method or construcor declarations. Methods are excluded specifically to ensure generic classes and interfaces (such as Array<T>) continue to mostly relate covariantly.

정말 미묘하면서 알기 힘든 포인트로 공변성을 다룰 수 있는 길을 열어둔 것이다.

 

By the way, note that whereas some languages (e.g. C# and Scala) require variance annotations (out/in or +/-), variance emerges naturally from the actual use of a type parameter within a generic type due to TypeScript's structural type system.

C#이나 Scala 혹은 Kotlin처럼 이러한 개념을 드러내는게 좋았을까?

 

적어도 인지하기 어려운 미묘한 문법 차이로 공변성을 제어하는 것 보다는 확실한 예약어를 추가하는게 낫지 않았을까...? 하는 생각이 든다.

 

추가

 

typescript 4.7 부터 타입 제네릭에 공변, 반공변에 대해 명시적으로 표기가 가능해졌다.

 

type Getter<out T> = () => T;

type Setter<in T> = (value: T) => void;

 

https://www.typescriptlang.org/docs/handbook/release-notes/typescript-4-7.html#optional-variance-annotations-for-type-parameters

Documentation - TypeScript 4.7

 

 

참고

https://learn.microsoft.com/ko-kr/dotnet/standard/generics/covariance-and-contravariance

제네릭의 공 분산과 반공 분산

https://seob.dev/posts/%EA%B3%B5%EB%B3%80%EC%84%B1%EC%9D%B4%EB%9E%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B8%EA%B0%80/

공변성이란 무엇인가 / seob.dev

https://edykim.com/ko/post/what-are-covariance-and-contravariance/

공변성과 반공변성은 무엇인가?

https://github.com/microsoft/TypeScript/pull/18654

Strict function types by ahejlsberg · Pull Request #18654 · microsoft/TypeScript